CN109507695A - 一种基于gnss卫星信号的铁塔运行状态监控系统 - Google Patents

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程涛
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Abstract

本发明公开一种基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统，包括安装在铁塔上的第一有源接收天线和第二有源接收天线、与所述第一有源接收天线和所述第二有源接收天线分别连接的GNSS信号接收模块以及与所述GNSS信号接收模块连接的基带解算模块，所述基带解算模块连接于监测平台，所述基带解算模块包括数字采样模块和差分相干测量解算，所述第一有源接收天线和所述第二有源接收天线设置在同一测量端面。本发明所述监控系统通过导航伪距信号及载波相位信号进行双天线接收，并经差分相干测量处理，实现精准测量以对铁塔进行监控。

Description

一种基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统
技术领域
本发明涉及铁塔类构筑物的状态监控技术领域，具体来说，涉及一种基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统。
背景技术
用于电力输送或信号传输的铁塔遍布各地，有时还要穿过崇山峻岭、沙漠荒滩、湖泊河流，经过这些地段时，有时环境条件会比较复杂，维护时会十分艰难，但保证电力供应或信号输送极其重要，它不但与工农业建设紧密相关，而且还与人们的日常生活息息相关，若电力供应或信号传输出了问题，很难想象对社会的影响会有多大。为此，保证上述铁塔的安全运行，特别是维护好周围环境条件比较荒凉、交通不便地区的电力输送线或信号传输铁塔的安全，则尤为重要，为了实现这一目的，必须对铁塔的运行状态进行有效监测，然后把监测的状态量通过网络传输至安全监测平台，由安全监测平台实施有效的安全监控，这一工作十分重要，要实现这一目的，关键是必须对输送线铁塔及电力线实行有效的监测。为此，本申请提出了利用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的导航信号及GNSS接收器件实现安全监测。
例如，中国发明专利申请号为CN201510090283.8的专利申请文件公开了一种铁塔远程监控系统，所述铁塔远程监控系统包含铁塔状态监控终端(1)、无线通信终端(2)、数据处理监控中心(3)，所述铁塔状态监控终端安装在铁塔上，包括：主控制器、倾角传感器、风速传感器、温湿度传感器、红外传感器、摄像头，实时对铁塔进行监控，无线通信终端包括4G/3G/GPRS通信模块，通过无线网络实现铁塔状态监控终端和数据处理监控中心的数据传输，数据处理监控中心对采集到铁塔数据进行分析，判断铁塔的健康状况，如果铁塔处于危险状态或者有潜在的安全隐患，则进行报警。
上述现有技术公开了一种铁塔远程监控系统，通过各种传感器对铁塔进行监控，监控精度上不够高，且不适合铁塔工况环境复杂的区域。
发明内容
本发明提供一种基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统，所述监控系统通过导航伪距信号及载波相位信号进行双天线接收，并经差分相干测量处理，实现精准测量以对铁塔进行监控。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统，包括安装在铁塔上的第一有源接收天线和第二有源接收天线、与所述第一有源接收天线和所述第二有源接收天线分别连接的GNSS信号接收模块以及与所述GNSS信号接收模块连接的基带解算模块，所述基带解算模块连接于监测平台，所述基带解算模块包括数字采样模块和差分相干测量解算模块，所述第一有源接收天线和所述第二有源接收天线设置在同一测量端面。
进一步地，所述测量端面上还设置有第三有源接收天线和第四有源接收天线，所述第三有源接收天线和所述第四有源接收天线连接于第二基带解算模块，其中，所述第三有源接收天线和所述第四有源接收天线之间的连接线交叉于所述第一有源接收天线和所述第二有源接收天线之间的连接线。
进一步地，所述第三有源接收天线和所述第四有源接收天线还连接于第二GNSS信号接收模块，所述第二GNSS信号接收模块连接于所述第二基带解算模块。
优选地，所述第三有源接收天线和所述第四有源接收天线之间的连接线垂直于所述第一有源接收天线和所述第二有源接收天线之间的连接线。
进一步地，所述基带解算模块和/或所述第二基带解算模块还安装有惯性传感器件。
进一步地，所述基带解算模块和/或所述第二基带解算模块还安装有风速计。
进一步地，所述铁塔的顶部中心位置还安装有第五有源接收天线，所述铁塔的底部的中心位置还安装有第六有源接收天线，所述第五有源接收天线和所述第六有源接收天线均连接于第三GNSS信号接收模块，所述第三GNSS信号接收模块连接于第三基带解算模块，其中，所述第六有源接收天线还设有基础。
优选地，所述第五有源接收天线和所述第六有源接收天线放置在一条垂直线上。
进一步地，所述基带解算模块和所述第二基带解算模块均通过NB-loT物联网、LoRa物联网、WiFi、移动通信网的一种连接于监测平台。
进一步地，所述第三基带解算模块还安装有惯性传感器件和风速计。
进一步地，所述测量端面为所述铁塔顶端的水平面。
与现有技术相比，本发明的优越效果在于：
1、本发明所述的基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统，通过采用有第一有源接收天线、第二有源接收天线、信号接收模块和基带解算模块，实现对导航伪距信号及载波相位信号的双天线接收，并能够进行差分相干测量处理以实现对铁塔的精准测量；
2、本发明所述的基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统，通过第三有源接收天线、第四有源接收天线、第二信号接收模块和第二基带解算模块的配合设置，能够实现监测获得第一有源接收天线和第二有源接收天线相位中心位置的三维坐标值。
附图说明
图1是本发明实施例1中的基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统的示意图；
图2是本发明实施例2中的基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统的示意图；
图3是本发明实施例3中的基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统的示意图；
图中：1-铁塔、2-第一有源接收天线、3-第二有源接收天线、4-GNSS信号接收模块、5-基带解算模块、6-第三有源接收天线、7-第四有源接收天线、8-第二基带解算模块、81-第二GNSS信号接收模块、9-第五有源接收天线、10-第六有源接收天线、11-第三GNSS信号接收模块、12-第三基带解算模块。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，一种基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统，包括安装在铁塔1上的第一有源接收天线2和第二有源接收天线3、与所述第一有源接收天线2和所述第二有源接收天线3分别连接的GNSS信号接收模块4以及与所述GNSS信号接收模块4连接的基带解算模块5，所述基带解算模块5连接于监测平台(图中未示)，所述基带解算模块5包括数字采样模块和差分相干测量解算模块(图中未示)，所述第一有源接收天线2和所述第二有源接收天线3设置在同一测量端面，所述第一有源接收天线2和所述第二有源接收天线3用于接收GNSS的卫星导航信号，在所述基带解算模块5中经过数字采样、差分相干测量解算，能够得到所述第一有源接收天线2和所述第二有源接收天线3相位中心位置的三维坐标值，求出两个天线连线矢量的方位角及俯仰角，用于对铁塔1的位移、摇摆及姿态的测量。
在本实施例中，所述差分相干测量解算是指所述第一有源接收天线2和所述第二有源接收天线3同时接收同一颗导航卫星时，分别测量求得卫星至上述两个天线之间的码伪距和载波相位伪距，若把卫星至不同天线的伪距值相减，便能获得伪距差，这个伪距差相对精确，因为相减时把伪距中包含的电离层、对流层等误差消去了，这样可以由比较精确的伪距差测量值，反演出位置的状态量。
在本实施例中，所述测量端面为所述铁塔1顶端的水平面。
所述基带解算模块5通过NB-loT物联网、LoRa物联网、WiFi、移动通信网的一种连接于监测平台，在本实施例中，所述监测平台为监测计算机。
在本实施例中，通过铁塔1对本发明进行介绍，本发明的技术手段同样适合于电力输送线支架、高层建筑以及桥梁等其它建筑物状态的监测监控。
实施例2
如图2所示，所述测量端面上还设置有第三有源接收天线6和第四有源接收天线7，所述第三有源接收天线6和所述第四有源接收天线7连接于第二基带解算模块8，其中，所述第三有源接收天线6和所述第四有源接收天线7之间的连接线交叉于所述第一有源接收天线2和所述第二有源接收天线3之间的连接线，通过所述第三有源接收天线6、所述第四有源接收天线7和所述第二基带解算模块8，能够监测获得所述第一有源接收天线2和所述第二有源接收天线3相位中心位置的三维坐标值，求出所述第三有源接收天线6和所述第四有源接收天线7连线矢量的另一个姿态角。
所述第三有源接收天线6和所述第四有源接收天线7之间的连接线垂直于所述第一有源接收天线2和所述第二有源接收天线3之间的连接线，通过如上设置能够测量铁塔1上所述第一有源接收天线2、所述第二有源接收天线3、所述第三有源接收天线6和所述第四有源接收天线7相位中心位置的三维坐标值及变化量，以及所述第一有源接收天线2、所述第二有源接收天线3、所述第三有源接收天线6和所述第四有源接收天线7组成的测量端面的三个姿态角及其变化量。
所述基带解算模块5和/或所述第二基带解算模块8还安装有惯性传感器件，通过所述惯性传感器件测量得到更多的铁塔1节点的测量信息，如节点位移、加速度、速度的相对变化量。
在本实施例中，所述惯性传感器件包括重力陀螺速度计和加速度计。
所述基带解算模块5和/或所述第二基带解算模块8还安装有风速计(图中未示)，通过将姿态变化与风速对应，从而能够考量铁塔1姿态的变化状态，及时判断铁塔1的安全性能。
所述基带解算模块5和所述第二基带解算模块8均通过NB-loT物联网、LoRa物联网、WiFi、移动通信网的一种连接于监测平台。
所述第三有源接收天线6和所述第四有源接收天线7还连接于第二GNSS信号接收模块81，所述第二信号接收模块81连接于所述第二基带解算模块8。
除如上限定之外，本实施例均与实施例1中相同。
实施例3
如图3所示，所述铁塔1的顶部中心位置还安装有第五有源接收天线9，所述铁塔1的底部的中心位置还安装有第六有源接收天线10，所述第五有源接收天线9和所述第六有源接收天线10均连接于第三GNSS信号接收模块11，所述第三GNSS信号接收模块11连接于第三基带解算模块12，其中，所述第六有源接收天线10还设有基础，所述基础与铁塔1的基础相互独立，第五有源接收天线9和所述第六有源接收天线10分别接收GNSS导航卫星伪距信号及载波信号后，信号经滤波、放大及下变频，然后把数据传输至所述第三基带解算模块12，在所述第三基带解算模块12中，经数字采样，差分相干测量，能获得各种测量量，最后在所述第三基带解算模块12里解算，进行载波相位相干测量处理及解算，得到基线的精准解算值及获得垂线偏斜量的解算，长期进行极限的监测，还可以得出基线的精确高度值及变化量，用于对铁塔1的沉降进行监测。
所述第五有源接收天线9和所述第六有源接收天线10相对设置，由于垂直基线较长，即所述第五有源接收天线9和所述第六有源接收天线10之间连线较长，而水平方向线稍有偏离，产生的误差与连线长相比较仅为二阶小量，不会明显影响垂直基线高h的精准解算，不影响对沉降的基本判断，所述第六有源接收天线10安装在铁塔1底部附近的另一个独立基础上时，也可以通过监测倾斜基线长h向分量的精准解算，分析和获得铁塔1的沉降情况，故利用GNSS进行载波相位差分相干测量，并经过长期积分，垂直基线高的测量精度可以高达1mm量级，能够进行沉降的精密测量。
GNSS主要的测姿方法采用的是载波相位测量技术，载波相位观测方程可表示为：
式1中，表示载波相位观测值，λ表示载波波长，R表示卫星到接收机的距离，ρion表示电离层延迟，ρtrop表示对流层延迟，ρeph表示卫星星历误差，ρmp表示多路径效应误差，N为初始整周模糊度，εa为卫星钟差，εb为接收机钟差。
由于卫星离接收机的距离远大于两个天线之间的距离，因此，能够认为卫星发出的GNSS信号到达两个接收机的路径是一致的，所以将载波相位观测值在接收机之间求单差即可以消除卫星相关的误差，沿铁塔1载体的纵轴方向安装两根GNSS天线，即所述第五有源接收天线9和所述第六有源接收天线10，其坐标分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，利用上文介绍的载波相位测量方程可得所述第五有源接收天线9和所述第六有源接收天线10沿铁塔1载体坐标系的分量：
故可得载体的航向角和俯仰角分别为：
除如上限定之外，本实施例均与实施例2中相同。
本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。

Claims (9)

1.一种基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统，包括安装在铁塔上的第一有源接收天线和第二有源接收天线、与所述第一有源接收天线和所述第二有源接收天线分别连接的GNSS信号接收模块以及与所述GNSS信号接收模块连接的基带解算模块，所述基带解算模块连接于监测平台，其特征在于，所述基带解算模块包括数字采样模块和差分相干测量解算模块，所述第一有源接收天线和所述第二有源接收天线设置在同一测量端面。
2.根据权利要求1所述的基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统，其特征在于，所述测量端面上还设置有第三有源接收天线和第四有源接收天线，所述第三有源接收天线和所述第四有源接收天线连接于第二基带解算模块，其中，所述第三有源接收天线和所述第四有源接收天线之间的连接线交叉于所述第一有源接收天线和所述第二有源接收天线之间的连接线。
3.根据权利要求2所述的基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统，其特征在于，所述第三有源接收天线和所述第四有源接收天线之间的连接线垂直于所述第一有源接收天线和所述第二有源接收天线之间的连接线。
4.根据权利要求2或3所述的基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统，其特征在于，所述基带解算模块和/或所述第二基带解算模块还安装有惯性传感器件。
5.根据权利要求4所述的基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统，其特征在于，所述基带解算模块和/或所述第二基带解算模块还安装有风速计。
6.根据权利要求1所述的基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统，其特征在于，所述铁塔的顶部中心位置还安装有第五有源接收天线，所述铁塔的底部的中心位置还安装有第六有源接收天线，所述第五有源接收天线和所述第六有源接收天线均连接于第三GNSS信号接收模块，所述第三GNSS信号接收模块连接于第三基带解算模块，其中，所述第六有源接收天线还设有基础。
7.根据权利要求6所述的基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统，其特征在于，所述第五有源接收天线和所述第六有源接收天线放置在一条垂直线上。
8.根据权利要求6或7所述的基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统，其特征在于，所述第三基带解算模块还安装有惯性传感器件和风速计。
9.根据权利要求1所述的基于GNSS卫星信号的铁塔运行状态监控系统，其特征在于，所述测量端面为所述铁塔顶端的水平面。
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